THIẾ T K Ế THÍ NGHI Ệ M S Ử D Ụ NG C Ả M BI Ế N GO!MOTION
GO!MOTION KẾT NỐI MÁY TÍNH VÀ PHẦN MỀM LOGGER PRO 3.5
2 1 1 Các thí nghiệm chương “Động học chất điểm”
Chương này trình bày các thí nghiệm khảo sát kết nối giữa cảm biến và máy tính, đồng thời sử dụng phần mềm Kết quả thu được hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu trước đó Đây cũng là bước khởi đầu quan trọng giúp học sinh làm quen với việc thực hiện thí nghiệm sử dụng cảm biến.
Bài viết này trình bày ba thí nghiệm tiêu biểu trong chương: thí nghiệm chuyển động thẳng đều, thí nghiệm chuyển động thẳng biến đổi đều, và thí nghiệm rơi tự do.
2.1.1.1 Thí nghi ệm chuyển động thẳng đều
Thí nghiệm sử dụng xe động học trên thanh ray với ma sát không đáng kể, ghi nhận dữ liệu trong 5 giây và tích hợp quay phim chuyển động thực Điều này giúp dễ dàng sử dụng trong lớp học khi không thể mang theo thanh ray và xe động lực để học sinh quan sát.
Hình 2.1 Tích hợp quay phim và đồ thị chuyển động thẳng đều của xe động lực
Chúng tôi đã thực hiện phân tích đồ thị bằng các công cụ "Statistics" và "Curve Fit", và nhận thấy rằng kết quả đồ thị thể hiện 3 giai đoạn chuyển động hoàn toàn phù hợp với thực tế Kết quả này xác nhận lý thuyết về chuyển động thẳng đều, trong đó vận tốc của vật không đổi và vị trí được mô tả bằng hàm số x = mt + b, với m là vận tốc và b là vị trí ban đầu Thông qua công cụ Examine, chúng tôi đã xác định chính xác vị trí ban đầu của vật, và kết quả đạt được cũng tương thích với các đề tài đã thực hiện trước đó.
Chúng tôi đã tiến hành khảo sát chuyển động thẳng đều của viên bi nhỏ trên rãnh và thiết kế một bộ dụng cụ bi trượt Kết quả cho thấy, kích thước nhỏ của viên bi dẫn đến tín hiệu phản xạ không rõ ràng và không đồng nhất, gây nhiễu khi viên bi di chuyển ra xa cảm biến, làm giảm độ chính xác của tín hiệu.
2.1.1.1 Thí nghi ệm chuyển động thẳng biến đổi đều
Trong nghiên cứu chuyển động của xe trên máng nghiêng, việc thu thập vị trí, vận tốc và gia tốc khi xe chuyển động biến đổi đều là rất quan trọng Phân tích các đồ thị (x,t), (v,t) và (a,t) sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các đặc điểm của chuyển động này Qua đó, chúng ta có thể hình thành khái niệm về chuyển động thẳng biến đổi đều một cách chính xác và khoa học.
- Xác định phương trình phù hợp nhất cho đồ thị (x,t); (v,t)
- Xác định gia tốc trung bình từđồ thị (a,t) theo thời gian
Hình 2.2 Thí nghiệm về chuyển động thẳng biến đổi đều của xe động lực
Xử lí và phân tích
Hình 2.3 Đồ thị vị trí, vận tốc, gia tốc của chuyển động thẳng biến đổi đều
Từ kết quả phân tích đồ thị, giáo viên và học sinh dễ dàng nhận thấy: đối với một vật chuyển động thẳng biến đổi đều thì:
- Gia tốc của vật là một đại lượng không đổi trong quá trình chuyển động
- Vị trí của vật được xác định bằng hàm số: x = At 2 + Bt + C Trong đó:
2A chính là gia tốc chuyển động của vật (so sánh với đồ thị (a,t))
B chính là vận tốc ban đầu của vật mà ta đang xét (dùng công cụ Examine đểxác định)
C chính là vị trí ban đầu của vật mà ta đang xét
- Để dễ dàng cho việc ghi nhớ cũng như học vật lý ta đưa vềphương trình chuyển động của vật như sau: x = x0 + v 0 t + 1
Phương trình vận tốc của vật được biểu diễn dưới dạng hàm số y = mt + b, trong đó m là gia tốc của vật, và b là vận tốc ban đầu Để xác định các thông số này, có thể sử dụng công cụ Examine để phân tích đồ thị (a,t).
- Để dễ dàng cho việc ghi nhớ cũng như học vật lý ta đưa về phương trình chuyển động của vật như sau: v = v0 + at
2.1.1.1 Thí nghi ệm sự rơi tự do
Chuyển động rơi tự do được chứng minh là chuyển động thẳng nhanh dần đều thông qua việc thu thập tọa độ, vận tốc và gia tốc của vật rơi theo thời gian Việc này cho thấy rằng vật rơi tự do chịu tác động của trọng lực, dẫn đến sự gia tăng vận tốc đều đặn trong suốt quá trình rơi.
- Xác định gia tốc của chuyển động rơi tự do
Hình 2.4 Thí nghiệm rơi tự do tích hợp quay phim trong phần mềm Logger Pro 3.5
Chúng tôi sử dụng phần mềm Logger Pro 3.5 để xác định các giá trị tức thời, lớn nhất, nhỏ nhất và trung bình của vị trí cũng như vận tốc của xe động lực trong chuyển động thẳng biến đổi đều Để xác định dạng hàm số của đồ thị, chúng tôi áp dụng công cụ “Curve Fit” và lựa chọn hàm số phù hợp Kết quả phân tích gia tốc cho thấy gia tốc của quả bóng rổ trong giai đoạn rơi là hầu như không thay đổi.
Hình 2.5 Kết quả phân tích đồ thị gia tốc rơi tự do
2 1 2 Các bài toán đọc hiểu đồ thị kết hợp khảo sát thí nghiệm thực tương thích đồ thị bằng cảm biến và phần mềm
Củng cố khả năng đọc hiểu hệ quy chiếu trong đồ thị là rất quan trọng, đặc biệt là việc xác định vị trí của gốc tọa độ và vị trí ban đầu của vật.
- Giúp học sinh hiểu ý nghĩa của các đường biểu diễn trên đồ thị vị trí – thời gian
đường thẳng ngang thể hiện vật đang đứng yên
Đường thẳng xiên góc biểu thị chuyển động thẳng đều của vật, trong đó, đường đi lên cho thấy vật di chuyển theo chiều dương, còn đường đi xuống thể hiện vật di chuyển ngược lại chiều dương.
Tiến hành và kết quả
Hình 2.6 Đồ thị tương ứng với bảng số liệu Match Data trong thí nghiệm 1
Giáo viên yêu cầu học sinh phân tích các giai đoạn chuyển động để hiểu rõ ý nghĩa của đồ thị Sau khi tổ chức các hoạt động học tập liên quan, giáo viên sẽ thực hiện thí nghiệm thực tế nếu có thể, hoặc phân tích trực tiếp trên đồ thị và video mà giáo viên đã chuẩn bị để minh họa cho nội dung bài học.
Hình 2.7 Thí nghiệm thực tương ứng với đồ thị đã xây dựng trong thí nghiệm 1 tích hợp quay phim
Trong khảo sát chuyển động thực, giáo viên cần thiết lập gốc tọa độ phù hợp và thông báo cho học sinh về vị trí này ngay khi bắt đầu khảo sát Tại thời điểm nhấn Collect, vật sẽ ở vị trí gốc tọa độ, giúp học sinh dễ dàng quan sát phim và đường biểu diễn đồ thị.
Khi GV giữ yên vật thì đường biểu diễn vẫn chạy nhưng theo đường nằm ngang, chứng tỏ vật đang đứng yên
Khi giáo viên di chuyển vật, đường biểu diễn của nó tạo thành một đường xiên, cho thấy vật đang chuyển động thẳng với tốc độ tương đối đều Tuy nhiên, do sự điều khiển của tay người, chuyển động này không hoàn toàn ổn định.
- Củng cốđọc hiểu ý nghĩa của các đường biểu diễn các giai đoạn chuyển động trên đồ thị vị trí – thời gian
- Hỗ trợ học sinh hiểu:
Tọa độ âm cho biết vật đang ở vị trí cách gốc tọa độ một khoảng về phía ngược chiều dương.
Mặc dù vật có tọa độ âm, nhưng đường biểu diễn xiên góc hướng đi lên vẫn thể hiện giá trị vận tốc dương, cho thấy vật đang di chuyển theo chiều dương.
Giá trịâm hay dương của vận tốc sẽ cho biết chiều chuyển động của vật
Tiến hành và kết quả
THIẾ T K Ế TI Ế N TRÌNH D Ạ Y H Ọ C S Ử D Ụ NG CÁC THÍ
3 1 Các hoạt động học tập hướng dẫn đọc hiểu đồ thị và xây dựng chuyển động thực tương thích đồ thị “tọa độ - thời gian”
3 1 1 Bài toán đặt vấn đề
Ban đầu, bạn Lan đứng yên tại vị trí P Sau đó, cô di chuyển dọc theo trục đến vị trí Q và dừng lại một lúc Tiếp theo, Lan di chuyển đến vị trí R, ở lại đó một thời gian, rồi từ từ trở về vị trí Q Đồ thị (x, t) nào dưới đây mô tả chính xác chuyển động của bạn Lan?
Để xác định đúng đáp án cho bài toán này, học sinh cần áp dụng kiến thức về động học để phân tích và suy luận các giai đoạn chuyển động tương ứng trên đồ thị.
Xác định được hệ quy chiếu để khảo sát chuyển động: gốc thời gian và hệ trục tọa độ
Xác định đươc chiều chuyển động của vật (cùng chiều dương hay ngược chiều dương) trong từng giai đoạn chuyển động
Đường biểu diễn vị trí – thời gian trên đồ thị có ý nghĩa quan trọng trong việc phân tích chuyển động Đường thẳng ngang thể hiện vật đứng yên, trong khi đường thẳng xiên góc biểu diễn vật chuyển động thẳng đều Việc hiểu rõ các loại đường biểu diễn này giúp chúng ta nắm bắt được đặc điểm và tính chất của chuyển động trong không gian.
Sau khi tìm ra đáp án, học sinh thường có nhu cầu kiểm chứng suy luận của mình thông qua thí nghiệm Điều này dẫn đến việc các em muốn thực hiện thêm các bài tập tương tự để xác minh tính hiệu quả của suy luận trong các bài toán khác và phát triển nhu cầu thí nghiệm.
Chúng tôi đã thiết kế một số hoạt động cụ thể cho học sinh thực hiện và thảo luận, tương ứng với ba thí nghiệm chuyển động thực đã được xây dựng trong chương 2.
Chất điểm chuyển động trong bài có đồ thị thể hiện rõ điểm xuất phát, vận tốc và chiều chuyển động Đầu tiên, xác định điểm xuất phát của vật, sau đó phân tích vận tốc chuyển động có thể thay đổi theo thời gian Cuối cùng, mô tả chiều chuyển động của chất điểm, giúp hiểu rõ hơn về quỹ đạo di chuyển của nó.
Trong hoạt động này, học sinh sẽ phân tích đồ thị nhằm mô tả chuyển động của vật Đồ thị thể hiện gốc thời gian và gốc tọa độ tại vị trí ban đầu của vật.
Từ thời điểm t = 0s đến t = 2s vật đứng yên do x 1 = x 2 = 0 m
Từ thời điểm t = 2s đến t = 3s vật chuyển động thẳng đều theo chiều dương với vận tốc 𝑣𝑣 1 = 𝑥𝑥 ∆𝑡𝑡 3 −𝑥𝑥 2
Từt = 3s đến t = 5s, vật đứng yên
Từ thời điểm t = 5s đến t = 6s, vật chuyển động thẳng đều ngược chiều dương với vận tốc |𝑣𝑣 2 | = 0,6𝑚𝑚/𝑠𝑠 và trở lại vị trí xuất phát tại t = 6s Sau đó, vật ngừng lại tại vị trí này cho đến t = 9s, rồi tiếp tục chuyển động thẳng đều đến vị trí tương ứng với t = 12s với vận tốc 𝑣𝑣1 = 1 3 𝑚𝑚/𝑠𝑠 và sau đó dừng lại.
3.1.2.2 Ho ạt động 2: Em hãy xây dựng tình huống vật lý phù hợp với đồ thị đã xây dựng
Trong tình huống này, học sinh sẽ thực hiện một bài tập vật lý ngược bằng cách phân tích đồ thị và từ đó xây dựng một bài toán vật lý phù hợp.
Một em bé đang chơi với xe múc cát Cậu bé mất 2 giây để cho cát lên xe và di chuyển đến vị trí cách đống cát 0,6 mét Sau khi đổ cát xuống, cậu bé quay lại vị trí cũ, tiếp tục lấy cát và di chuyển đến vị trí cách vị trí đổ cát đầu tiên 0,4 mét Cần tính toán vận tốc của xe khi di chuyển.
Trong ví dụ này, một chiếc xe nâng hàng trong siêu thị nâng hàng lên cao 0.6m trong hai giây đầu tiên Sau đó, xe nâng hạ hàng xuống mặt đất và tiếp tục nâng hàng lên kệ ở độ cao 1m Câu hỏi đặt ra là tính vận tốc của xe nâng khi chuyển động.
Chất điểm chuyển động trong đồ thị đã cho có thể được mô tả như sau: Vật bắt đầu từ một điểm xuất phát xác định, với vận tốc chuyển động thay đổi theo thời gian Chiều chuyển động của vật là hướng mà nó di chuyển, thể hiện qua các biến đổi trong đồ thị.
Trong hoạt động này HS sẽphân tích đồ thịđể mô tả chuyển động của vật
Trong đồ thị, vật có vị trí ban đầu x1 = -1m, cho thấy nó nằm ở phía âm của trục tọa độ, cách gốc tọa độ 1m.
Từ t = 0s đến t = 4s, vật di chuyển thẳng đều theo chiều dương với vận tốc 𝑣1 = 0,15 m/s Sau đó, vật dừng lại tại vị trí x = -0,4m trong 2s và tiếp tục chuyển động về gốc tọa độ với vận tốc 𝑣2 = 0,2 m/s, trước khi dừng lại trong 2s.
Vật tiếp tục chuyển động thẳng đều ngược chiều dương về vị trí x = -0.8m, dừng lại trong 3 giây, sau đó chuyển động thẳng đều đến vị trí gốc tọa độ với vận tốc 𝑣𝑣 3 = 0 - (-0.8) / 4 = 0.2 m/s.
3.1.3.2 Ho ạt động 2: Em hãy xây dựng tình huống vật lý phù hợp với đồ thị đã xây dựng
THỰ C NGHI ỆM SƯ PHẠ M
4 1 Mục đích, đối tượng, phương pháp và nội dung thực hiện
Trên cơ sở tiến trình dạy học đã soạn thảo ởchương “Các định luật bảo toàn”, quá trình thực nghiệm sư phạm nhằm:
- Kiểm tra và đánh giá sựđúng đắn của giả thuyết khoa học của đề tài
Kiểm tra tính khả thi và hiệu quả của bộ TN cơ học được thiết kế trong quá trình dạy học nhằm tạo sự hứng thú và phát huy tính tích cực của học sinh thông qua các tiến trình dạy học đã được xây dựng.
Học sinh lớp 10A1 và lớp 10CT của trường Trung học Thực hành, Đại học Sư phạm TP.HCM
Quá trình thực nghiệm sư phạm được tiến hành theo trình tự sau:
Gần đây, việc dạy học các chương "Động học chất điểm" và "Các định luật bảo toàn" trong môn Vật lý 10 tại trường Trung học Thực hành ĐHSP TP HCM đã được trao đổi với giáo viên bộ môn, nhằm đánh giá thực trạng và tìm ra những giải pháp cải thiện chất lượng giảng dạy.
- Trình bày với các thầy cô trong tổ bộ môn về cảm biến chuyển động và các
TN được thiết kế với sự hổ trợ của cảm biến, tính khả thi khi áp dụng vào quá trình dạy học
Xin ý kiến đóng góp từ các thầy cô về tiến trình dạy học, nhằm cải thiện và hoàn thiện quy trình này với sự hỗ trợ của cảm biết chuyển động.
- Dạy theo tiến trình đã soạn thảo đối với đối tượng thực nghiệm
Trong quá trình giảng dạy, người dạy theo dõi các phản ứng của HS khi được tiếp xúc với bộ thí nghiệm
Thực nghiệm dạy học về động lượng và định luật bảo toàn động lượng, cùng với thếnăng và định luật bảo toàn cơ năng, là những nội dung quan trọng trong chương trình vật lí 10, ban cơ bản, nhằm khảo sát và nâng cao hiệu quả giảng dạy.
TN đã xây dựng trong chương “Các định luật bảo toàn” trong dạy học để hỗ trợ và phát huy tính tích cực của HS
4 2 Đánh giá kết quả thực nghiệm
4 2 1 Tự rút kinh nghiệm của người thực dạy
4.2.1.1 Bài 23: Động lượng Định luật bảo toàn động lượng
Trong quá trình dạy bài học này, việc sử dụng cảm biến đã thu hút sự hứng thú của hầu hết học sinh khi họ được làm quen với dụng cụ thí nghiệm mới và phần mềm vẽ đồ thị Mặc dù thí nghiệm có thể được thực hiện nhanh chóng chỉ trong một phút, nhưng việc điều chỉnh cảm biến để thu được tín hiệu tốt nhất đã tiêu tốn nhiều thời gian do thiết bị không được định vị chính xác Nếu cảm biến bị lệch, đồ thị sẽ không mượt mà và chính xác, dẫn đến khoảng thời gian chết trong giờ học Trong những lần thực hiện đầu tiên, do thao tác chưa thành thạo và bàn thí nghiệm không đủ dài, việc ghép bàn lại gặp khó khăn, khiến thí nghiệm phải thực hiện từ 2-3 lần để có kết quả chính xác.
Tiết dạy đã cung cấp đầy đủ các kiến thức cần thiết, giúp học sinh hiểu rõ về thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi thông qua việc nêu lên vấn đề tương tác giữa hai vật Học sinh cũng đã đưa ra nhiều ví dụ thực tiễn về các dạng năng lượng này trong cuộc sống hàng ngày.
Giáo viên đã cho học sinh giải một bài toán liên quan đến biểu thức thế năng của vật trong trọng trường và tiến hành thí nghiệm để minh họa tầm quan trọng của việc chọn gốc thế năng Do học sinh còn mới, giáo viên đã giới thiệu về cảm biến, phần mềm và bóng rổ để khảo sát Để giúp học sinh hiểu rõ hơn về hoạt động của cảm biến, giáo viên đã thực hiện thí nghiệm để cảm biến thu nhận dữ liệu và vẽ đồ thị Giáo viên hướng dẫn học sinh cách chọn gốc thế năng tại vị trí mong muốn và khảo sát việc chọn gốc thế năng ở các vị trí khác nhau Sau khi thu thập dữ liệu, giáo viên đã cho học sinh nhận xét về đồ thị, tạo sự hứng thú cho học sinh khi thực hiện thí nghiệm và nhận thức được tầm quan trọng của việc chọn mốc đến giá trị của thế năng.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá biểu thức của thế năng trọng trường Khi tính công của trọng lực, do học sinh chưa được học về tích phân và vi phân, nên việc hình thành biểu thức tính công trở nên mang tính thừa nhận Do đó, giáo viên đã bắt đầu từ trường hợp đơn giản nhất là rơi tự do, sau đó chuyển sang mặt phẳng nghiêng và cuối cùng là khái quát cho một đường cong bất kỳ, giúp học sinh dễ tiếp nhận hơn.
Trong phần cơ năng của vật chịu tác dụng của trọng trường, giáo viên đã gợi ý cho học sinh phương án thí nghiệm khi các em chưa quen Một học sinh được mời lên bảng để vẽ đồ thị, nhưng chỉ có 1-2 em đưa ra ý tưởng rằng động năng giảm, thế năng tăng và cơ năng không đổi, tuy nhiên chưa vẽ chính xác Giáo viên vừa giải thích vừa vẽ trên bảng, giúp học sinh chú ý hơn khi xác định đồ thị của động năng, thế năng và cơ năng của vật.
Giáo viên tiến hành thí nghiệm kiểm chứng, thu hút sự chú ý của học sinh Khi kết quả thí nghiệm cho ra đồ thị phù hợp với dự đoán, học sinh cảm thấy thích thú và không khí lớp học trở nên sôi nổi hơn.
HS kết luận về cơ năng của vật khi vật chịu tác dụng của trọng lực; HS rất sôi nổi giơ tay trả lời
Trong phần cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi, giáo viên yêu cầu học sinh viết biểu thức cơ năng và nhấn mạnh rằng thế năng trong trường hợp này là thế năng đàn hồi, trong khi động năng không thay đổi Giáo viên khẳng định rằng cơ năng của lực đàn hồi cũng được bảo toàn và khuyến khích học sinh thảo luận, chứng minh qua thực nghiệm Học sinh được cung cấp dụng cụ như giá đỡ, lò xo, vật nặng, cảm biến và máy tính để kiểm chứng Sau khi thảo luận sôi nổi, học sinh đề xuất phương án đặt lò xo nằm ngang, nhưng giáo viên cảnh báo về tác dụng của lực ma sát có thể ảnh hưởng đến cơ năng Giáo viên gợi ý treo lò xo bằng giá đỡ thẳng đứng và sau khi xây dựng phương án, học sinh dự đoán đồ thị tương tự như trong phần cơ năng của vật chịu tác dụng của trọng lực Khi được mời lên vẽ, học sinh thực hiện khá chính xác và sau đó, một học sinh tình nguyện thực hiện thí nghiệm, thể hiện sự hào hứng của các em.
Khi HS tác dụng lực kéo lò xo quá mạnh, lò xo dao động lệch khỏi phương thẳng đứng, dẫn đến kết quả không chính xác Trong quá trình thực hiện thí nghiệm, GV thao tác vội vàng, khiến đồ thị thu được không được mượt mà như khi thực hiện trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên, GV đã chuẩn bị sẵn đồ thị và khi chiếu cho HS xem, các em rất hứng thú với thao tác chuẩn Cuối cùng, GV đã giúp HS khẳng định rằng cơ năng của vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi.
4 2 2 Ý kiến của giáo viên bộ môn
• Cô Nguy ễn Đức Thanh Tuyền – giáo viên môn vật lí trường THTH– ĐHSP TP.HCM dự giờ bài “Động lượng – Định luật bảo toàn động lượng”, lớp 10A1:
Trong chương "Các định luật bảo toàn", giáo viên thường áp dụng phương pháp giảng giải kết hợp với suy luận toán học để truyền đạt kiến thức mới, như trong các bài học về "Động lượng – Định luật bảo toàn động lượng" và "Cơ năng" Tuy nhiên, việc tiến hành thí nghiệm để kiểm tra các định luật, chẳng hạn như định luật bảo toàn động lượng, thường gặp khó khăn do các dụng cụ đo thời gian hiện tại như máy gõ nhịp và cổng quang quá cồng kềnh, khó bố trí và tốn thời gian xử lý số liệu.
Tiết học về "Động lượng – Động lượng" trở nên sinh động và hấp dẫn nhờ sự hỗ trợ của cảm biến chuyển động, thu hút sự tham gia tích cực của học sinh Các em được trải nghiệm những thí nghiệm kết nối với máy tính lần đầu tiên, đồng thời kiến thức được học được kiểm chứng ngay tại lớp học.
Thí nghiệm sử dụng cảm biến chuyển động kết nối với máy tính cho phép thiết lập dễ dàng và biểu diễn kết quả một cách trực quan Tuy nhiên, do thiếu kinh nghiệm giảng dạy, người thực hiện chưa quản lý lớp học hiệu quả trong môi trường có 40 học sinh, dẫn đến việc chưa phát huy tối đa những ưu điểm của bộ thí nghiệm đã thiết kế.
• Cô Nguy ễn Hoàng Trúc – giáo viên môn vật lí trường THTH–ĐHSP TPHCM dự giờ bài “Thếnăng”, lớp 10CT: